《庄子》中有语：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，某些哲学家的“物质无限可分”之观念，与此语的意思不无共同之处。自然科学家容易接受这种朴素的唯物主义思想；近二、三百年间，采取不断分割物质的手段，探索愈来愈深的物质层次的运动规律，使人们对于物质结构的认识日趋明朗。及至本世纪六十年代，分割的目标指向强子这个层次。之前视作“基本”粒子的质子、中子、π介子等等，似都显露出内部结构；于是，这些强子就不能再作为“基本”的粒子。嗣后，探索深入到强子的下一个层次、即夸克-轻子层次，迄今为止尚未见其明显的内部结构迹象，所以夸克和轻子被当作基本粒子（基底粒子）。并且，不能由轰击强子而得到自由夸克，此即所谓“夸克被禁闭”，这便使强子再分割成夸克，显得唯难唯艰。那么，如何看待“夸克禁闭”——粒子物理的这个基本事实？物质又是否无限可分呢？

“夸克”声声 引向物质世界新天地

物质结构是自然科学研究的最基本问题之一。上世纪末的三大发现——X射线（1895年）、放射性（1896年）、电子（1897年），开始展示原子的内部结构。而恩格斯在1882已断定：原子“绝非最小的实物粒子”，从而改变了出自古希腊语的“原子”一词的原意（原子乃指最小的、不可再分的东西）。可见，伟大的哲学家往往走在自然科学家的前边：更早地看出自然科学发展的大致趋势。当然，优秀的自然科学家也已在三大发现之前意识到原子的可分性；例如，洛仑兹于1892年从理论上预言：在一切分子、原子内部都存在电子。

在卢瑟福的α散射实验（1909年）证实原子的有核结构以及中子发现（1932年）以后，人们普遍认定一切物质均由原子核内的核子——质子和中子以及核外的电子构成。电子与原子核凭借电荷之间的电磁作用而结合成原子；至于核子，则凭借彼此间的核力——一种强相互作用而聚合在核内。用量子场论的语言说，电磁作用由光子传递、核力由π介子传递。

质子、中子、电子只是宏观世界中的普通物质、其原子的构成粒子。然而在一些中、高能实验中能产生新的粒子、构造出新的物质形态；即随着能量逐渐升高的粒子加速器的建造和完善，以及粒子探测技术的不断改进，从三十年代起，种种新粒子陆续露面。算起来，至九十年代，从实验室中、从宇宙线中已探测到的粒子（包括反粒子在内）不下800种。但大多寿命甚短，只能在微观尺度的范围里运动，并相互转化。在这么许多粒子中，除了光子和传递引力作用的引力子（尚未发现）、传递弱作用的中间玻色子外，主要有两类：参与强作用，也参与弱作用、电磁作用、引力作用的强子和不参与强作用、只参与其他三种作用的轻子。轻子的种数不多，为数众多的是强子——自旋量子数J为半奇数的重子和J为整数的介子。

门捷列夫元素周期表是所有元素原子的电子壳层结构具有一定规律的完整体现，元素的周期性起因于电子组态的周期性，这可说是原子内多电子体系动力学对称性的一种反映。而强子种数的剧增，使物理学家自然联想到，强子也有内部结构、其内部结构也具有一定的规律，这更深层次之构成粒子的动力学对称性必定更高。1961年，美国物理学家盖尔曼（M. GellMann）等人提出了用SU（3）对称性群来对强子进行分类的所谓“八正道”方案*。在此方案中，除单态外具有相同自旋量子数和相同宇称的强子，被看作为同一粒子的（超）多重态；诸如八重态、十重态等，都可画成一些相当对称、美观的正六边形和正三角形等形式的图案。图4-1列出这些图案中的两幅。“八正道”分类方案就是粒子物理中的周期表。与藉助于元素周期表可预言未发现的元素一样，由此方案也准确地预言了一些新粒子，例如重子Ω^-，它于三年后被发现。

1964年，盖尔曼等人进一步提出强子的夸克模型，这是赋予SU（3）群以更深入的物理涵义的直接结果。具体言之，与SU（3）群的三维基础表示相应的是三种粒子。重子和介子都不属于此基础表示，而这三种粒子是它们的构成粒子，统称夸克，分别命名为上夸克（u），下夸克（d）和奇异夸克（s）。重子由三个夸克构成；因重子数和电荷数都是守恒量，故夸克的重子数和电荷数都是分数（重子数为1/3，电荷数见表中所列）。分数电荷由此而登上物理舞台。当然，每种夸克都有各自的对偶粒子——反夸克。正反夸克的电荷数、重子数、奇异数等均等值反号。介子的重子数为零，所以介子必然是由一个夸克和一个反夸克构成的。比如质子、中子、π介子的构成分别为：

       与夸克模型问世几乎同时，我国学者探讨了层子模型（1965年）；将夸克易名为层子，更强调物质结构有无限多层次、此层子非为物质的最终构成单元。

夸克模型的美学特征是十分显眼的。u、d、s三夸克本身就是SU（3）群的基础表示三重态；重子中的三个夸克和介子中的正、反夸克都处在均衡的地位上；强子（超）多重态里的不同强子有某些相似的性质。该模型的价值即刻被人们所看重，是因为不同组合（构型）的三夸克体系和正反夸克体系，遍及所有已知的重子和介子（包括某些性质奇特的奇异粒子，譬如K介子、∑超子等，并正确预言了新的强子。将u、d、s组合，三夸克的二十七种可能组合可聚集成重子的一个单态、两个八重态和一个十重态，正反夸克的九种可能组合可聚集成介子的一个单态和一个八重态；这正是SU（3）群表示之推演的必然结论。所有这些不同构型的夸克体系及其聚集成的强子（超）多重态形式都有很高的对称性；SU（3）对称性群确实是夸克模型的合适的表述方式。

盖尔曼喜欢用非专业性妙语描绘他那专业性极强的深奥理论。“八正道”取自佛陀的格言：啊！僧侣们，通向摆脱痛苦的正确道路是八正道，即正见、正思维……。而将强子的构成粒子谓之“夸克”，乃模仿一首长诗中所形容的海鸟叫声。唏！海鸟鸣叫，“夸克”声声，已把人们引向物质世界深处一片奇妙无比的新天地。

对称表述 须以实验基础为依托

盖尔曼等人选择SU（3）群为三夸克模型的对称性表述方式，后来粒子物理学家们又以此作为披露强子结构动力学机制的有效手段；对称性探索，是一条通向微观物质世界无穷奥秘的正确道路，然而，其正确性必须以实验基础为依托。

夸克模型的提出，是由于从五十年代起所进行的一系列电子弹性散射（和非弹性散射）实验之结果所启示。比如五十年代的实验表明，质子、中子都不是点粒子，中子虽然整体上呈中性，内部却有正电和负电的一定分布；七十年代初，将甚高能量的电子轰击质子，得以断定质子是由几个“硬心”组成的。所有这些实验都与卢瑟福的α散射实验证实原子的有核结构相仿佛，也提供了强子内有构成粒子的可信证据。此类证据就是夸克模型得以成立的依托。

可是，盖尔曼的三夸克模型在用于计算某些衰变的速率时，其结果与实验不符，故而猜测可能还有第四种夸克存在。1974年，丁肇中等人发现了J/ψ粒子；它的行为颇似电子偶素（e^- e⁺），但很重，质量为质子的三倍；实际是粲夸克偶素，由粲夸克c和反粲夸克c¯组成。粲夸克之名称的由来，要追溯到预言其存在的研究工作之闪烁粲然的那一幕，借此而使粒子物理摆脱了不少疑难问题的困扰。图4-2中的cc¯偶素是两头反镜像对称的熊猫，人们以其胖乎乎的可爱形象来比喻质量甚大之粲夸克的出现，使夸克模型发生明快粲然的变化。夸克的个数不限于3，3这个数有另外的含意。然而，粲夸克之所以讨人喜欢，是因为它毕竟有力地支持了夸克模型。

       J/ψ粒子发现后不久，又发现第五种夸克的偶素态bb¯（1977年），b是底夸克（或叫美夸克），质量比c夸克大三倍。及至此时，无内部结构迹象的轻子除有电子e及其中微子v_e外，还已发现了短寿命的μ子及其中微子ν_μ和τ子及其中微子ν_τ。粒子物理学家称它们为三“代”轻子。而从对称性考虑，五个夸克从其电荷数来看，u、d和c、s也可分别作为第一代和第二代的夸克，那么作为第三代的也应是夸克二重态，除电荷为-1/3的b夸克外，还应有其电荷为2/3的伴侣。这种出于对称性的猜测是否正确，当然要依靠实验去搜索。b发现后过了将近二十年，才找到这第六种夸克t，称为顶夸克（或真夸克）；其质量竟高达175 GeV，无怪乎会如此难以寻觅。下表给出三代夸克和三代轻子的质量和电荷数。

       由表中所列数据可见，三代夸克和三代轻子的对应粒子之电荷数相同，而质量逐代升高。各代之间的对称性是一目了然的。若把夸克和轻子都当成基本粒子，那么这就是一张目今的基本粒子简表。这是由目今的实验实践所提供的，也是目今粒子物理的理论预言，二者符合得很好。但理论预言只是倾向于有3代夸克和轻子，并未屏绝増大“代”数的可能性，譬如说“代”数可能为4。是否这样，当然同样要依靠实验去检验、去搜索新的夸克和轻子。

SU（3）群也是描述夸克之间相互作用的动力学理论——量子色动力学（QCD）的核心。SU（3）群的涵义非常丰富，致使QCD成为一个比较成功的量子场理论；该理论的一些重要结论，如渐近自由和夸克禁闭，以及因轰击质子等粒子而引起强子喷注等等，均为长期以来由实验所证实。所以，有些粒子物理学家视诸如SU（3）等对称性群为“点化小物理实体的魔杖”。难道美的东西就一定是真的，就一定能为实验所证实？

色不外露 外露更待何时

量子电动力学（QED）对电磁相互作用作出圆满的描述，并凭借U（1）群，显示其内禀的规范变换不变性。与QED类似，QCD凭借SU（3）群，也对夸克之间的相互作用作出宜人的描述。

夸克属于费米子，为使其满足泡利不相容原理，必须引入一个新量子数，以标志诸如Δ⁺⁺（uuu） 、 Ω¯（sss）等重子中的三个同种夸克实际所处的不同量子态。为通俗起见，此新量子数谓之为“色”，那么每种夸克都有譬如说“红”、“绿”、“蓝”三个不同颜色的变种；如此，每种重子中的三个夸克的色量子数各不相同，而每种介子中的正、反夸克的色量子数是相反的，所以任何强子都呈无色，即其色量子数都为零。倘若“夸克禁闭”不能打破，带色的自由夸克不能露面，那么“色不外露”就是理所当然的了。

电荷之间通过交换光子以产生电磁相互作用。QCD赋予每个夸克以色量子数不同的“色荷”；于是夸克之间的强相互作用（也有人称其为超强相互作用），就是色荷之间的色相互作用（原先以为强子之间的强相互作用只是此色相互作用的残余），也通过交换某种传递粒子而实现。U （1）群有一个参量，与其对应的有一个守恒量，便是电荷。夸克有三种色，对于QCD而言，则是在三维色空间这个抽象空间里展现SU（3）群的对称性（与前述盖尔曼以SU（3）群讨论强子分类的情况不同）。此群有八个参量，对应的有八个守恒量，由此引出八种传递色相互作用的规范粒子，便是胶子。胶子场（色作用场，或曰强作用场））与光子场（电磁场）一样也是规范场，具有内禀的规范变换不变性。但两种群性质不同，所披露的两种作用场的规范变换不变性的形式也不相同。光子这种规范粒子不带电荷，胶子携带色荷。胶子在夸克之间传递色相互作用时不仅使夸克改变了颜色，而且在很大程度上改变了夸克与夸克的耦合性状：使夸克在靠近时耦合减弱、在分离时耦合增强，从而出现短距离上的“渐近自由”和长距离上的“渐远束缚”，即被禁闭在一定尺度的范围之内。

在物理学中，夸克禁闭是本世纪更待进一步讨论的主要问题之一。就QCD的进展现状而言，夸克必然被禁闭，各种在此理论体系范畴内建立的模型都对这个问题作出言之成理的解释。譬如李政道先生的QCD真空口袋模型已在上一篇文章中作了介绍，这里再提一下其他两种解释。电磁相互作用的库仑势与作用距离成反比，在此形式的势项上添加线性势形式项（与距离成正比），作为色作用势；并且在库仑势形式项上附以由夸克质量决定的系数，在线性势形式项上附以与质量无关的适当系数。这样的色作用势可满足近距自由、远距禁闭的要求，已用来描述重夸克偶素体系。弦模型是令人比较满意的。两夸克（即两色荷）之间的色作用局限在一根弦线之内。弦未拉长时，很松，相当于渐近自由；弦拉长时，很紧，而且越拉越紧，拉不出夸克，相当于渐远束缚。弦的能量随其长度增大而增大，即夸克间距离趋于无限大时，弦的能量也为无限大；但在这之前弦可能断裂，断裂处的两端必为两个相反的色荷，每个断裂处均此。就是说，当输入能量足够大时，弦一旦断裂，就出现一连串无色的介子，色荷始终未能外露。

往往会把夸克禁闭的起因归之于夸克很重，比所构成的强子还重得多，或者以为色作用力极强。其实从表中所列数据来看，第一、第二代夸克的质量并不大。看来不必用计算原子、原子核的结合能的方法去估计把强子分割成夸克所需付出的能量若何。也未必是色作用力强到任何高能加速器都无法对付的地步。然而事实上就是任何高能实验都未发现自由夸克。尔今QCD框架里的各种模型以不同的近似程度解释了这个事实。QCD是比较出色的强作用规范理论，为强子结构提供了合适的动力学机制；至少到现在为止，人们还未曾怀疑QCD的可靠性。夸克禁闭是这个物质层次上的特征。它不露面，并不说明它不存在；它不露面，并不阻挡人们对它作进一步的探讨。

且以1995年费米实验室发现顶夸克这个轰动世界的事件为例，来看看强子内夸克是如何运动、转化的。这是一项了不起的实验工程，有几千位物理学家和工程技术人员参与其事，进行的是世界上能量最高的粒子碰撞。使两束质子、反质子碰撞，实际是使其内部的夸克和胶子碰撞，从而产生顶夸克、反顶夸克对（tt¯），其寿命仅为10^-24秒。理论预言t立即衰变成一个W⁺粒子和一个b夸克，所以tt¯衰变成两个W粒子（W⁺和W^-）和一个bb^¯对，而W粒子和bb^¯对再衰变。实验从几束喷注中探测到各种衰变物，由以确定t夸克的质量为175 GeV。实验分析颇为缜密，表明pp¯碰撞的产物的确是tt¯，而非别的粒子。由此可见，质子和反质子在碰撞后不复存在，它们已碎裂了，但打碎后的裂片不是构成它们的轻夸克；因质子和反质子能量甚高，其内部的轻夸克已经转化，变成重夸克；重夸克立即衰变，经过若干次转化，探测器接收到的当然是无色的强子和轻子。所谓的夸克喷注实为介子流或重子流，有色的夸克依然不见。

按照传统的理解，分割物质乃指整体分成其组分；所以，分割强子，便是分为构成它的夸克。那么，就目今理论上和实验上的研究成果而论，这样的分割是不可能的；因为“夸克禁闭”难以打破，“色荷外露”又更待何时？！在这个意义上说，可把分割粒子的探索道路比作李白诗中的“蜀道”，真是“蜀道之难难于上青天”了。然而，如今青天已可上，未来可否将对物质结构的探索进一步深入下去呢？在新世纪里，总该对夸克、轻子是否有内部结构、是否有下一个物质层次这一问题有个明白的答案吧。我们认为，在高能条件下，粒子转化是易于发生的，质能转化这条基本原则和一些守恒定律等其他原则时时在促成新粒子对的产生和湮灭；只要实验条件允许，在夸克-轻子层次，还会有新现象、新粒子反应、新粒子冒出来，这一个层次的内涵还有待充分地揭示，所谓的微观物质世界会随着实验实践的进步而拓宽其领域；但人类的实验手段是否会受到限制？这恐怕也是一个有待深入思考的问题。

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* 有人称“八正道”方案为八重法。